水泥混凝土路面共振碎石化技術的應用

文/任賀賀、武玉東 上海寶冶集團有限公司 上海 200941

1、工程概況

1.1 項目概況

本項目主要對31 條道路進行橫斷面優(yōu)化、路面提升、結構“白改黑”，已建道路，現(xiàn)狀道路斷面樣式多，水泥路面結構陳舊破碎，病害較多。道路通車多年，路面沉陷較多且已趨于穩(wěn)定。本次全線改造瀝青混凝土路面，非機動車道采用透水瀝青路面結構。

1.2 周邊環(huán)境

根據(jù)現(xiàn)狀調查，道路兩側地塊開發(fā)強度不大，沿線大部分建筑為4-6 層居民自建房；道路等級為城市主干路，設計車速是40km/h，車道寬度45m；在共振破碎施工期間，沿線周圍的敏感建筑物進行實時觀察，施工前在人行道位置設置隔振溝（寬40cm，深80cm），以減少施工振動對周圍建筑物影響。

2、施工工藝

2.1 共振碎石化技術“白改黑”施工工藝：共振碎石化破碎→灑水碾壓→噴灑透層油→鋪筑加鋪層。施工工藝簡單、成熟、可靠，不需專門的配套設備。

2.2 大量的水泥砼路面亟待改造

截止 2018年年底，我國水泥混凝土路面總里程達到403.97 萬公里，其中縣道里程54.97萬公里，鄉(xiāng)道里程117.38 萬公里，村道里程231.62 萬公里，參考《2018年交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報》。上世紀90年代開始至今建設的大量水泥混凝土路面，隨著使用年限的增加，快速增長的交通荷載的作用，大量的水泥混凝土路面進入了大中修階段。

2.3 “白改黑”是城鎮(zhèn)化的選擇

水泥混凝土路面“白改黑”后具有更高的路面平整度、更優(yōu)的路面抗滑性、更低的行車噪聲、更低的眩光特性、更佳的行車舒適性和安全性、更低費用、更小的交通影響，更符合城市的發(fā)展需求。

3、“白改黑”存在的問題

3.1 存在的問題

（1）水泥混凝土路面“白改黑”最大的問題是反射裂縫的防治。

圖1 板塊接縫產(chǎn)生的反射裂縫

圖2 跨橋（涵）路段鋪設防裂貼

（2）將板塊破碎成較細的顆粒，能夠避免反射裂縫。但水泥混凝土板塊的剩余強度低，加鋪結構層厚，投資費用高。

3.2 適宜的粒徑

圖3 破碎粒徑與材料模量關系示意圖

破碎粒徑大，易產(chǎn)生反射裂縫；破碎粒徑小，路面剩余強度不足，加鋪層厚度大。根據(jù)國內(nèi)外幾十年的工程實踐，以及室內(nèi)、外大量研究，破碎后水泥混凝土板塊粒徑在3-20cm 是實現(xiàn)兩種狀態(tài)最佳組合的破碎效果 。最佳契合點如圖 3 所示。

4、共振碎石化是實現(xiàn)最優(yōu)破碎的工藝

共振碎石化技術在美國、歐洲等幾十個國家得到了大量和廣泛的應用。2006年引進中國，在上海、浙江、福建等地得到較廣泛的應用，累計完成超過 800 萬m2 的工程量。業(yè)已證明共振碎石化技術的成熟性、可靠性和適用性。相對傳統(tǒng)破碎工藝而言，共振碎石化技術是實現(xiàn)消除反射裂縫和水泥混凝土路面盡可能高剩余承載力兩個條件的最優(yōu)工藝。破碎粒徑在3-20cm 范圍。

5、共振碎石化工作原理

5.1 共振碎石化設備

CB-900（CB，Concrete Breaker）型共振碎石化機設備是共振碎石化設備的最新發(fā)展型，是目前使用的最先進的型號。

圖4 共振碎石化破碎機

主要技術參數(shù)：發(fā)動機功率約 630 hp，振動梁寬寬 66cm，振動梁配重 5443-9070kg，破碎錘頭重 23kg，整車總重 27.2-31.8t。振動頻率 42-46Hz，振幅在20mm 左右。

5.2 共振破碎原理

共振碎石化不依靠 “蠻力”破碎水泥混凝土板塊，而是以 “巧勁”實現(xiàn) “ 四兩撥千斤”的效果，這是共振破碎的最大特點。實現(xiàn)了激振力與板塊的固有頻率的最佳組合。促使水泥混凝土板塊共振開裂，且裂而不碎。實現(xiàn)這一目標的關鍵技術在于 “ 共振梁的調諧作用”。

5.3 共振梁調諧原理

共振梁是實現(xiàn)共振碎石化設備的關鍵與核心部件。

圖7 梁式共振設備 單錘頭設備

共振梁調諧原理（圖 7）：由偏心凸輪旋轉產(chǎn)生偏心力，通過共振梁調幅、調頻后，將振動能量傳遞給破碎錘頭，使得錘頭的振動頻率達到水泥面板的固有頻率，板塊共振并迅速開裂。使錘頭激振頻率與激振力達到破碎板塊的最佳組合。將偏心凸輪與錘頭直接相連稱作單錘頭破碎設備，將在第 6 節(jié)介紹。

5.4 水泥路面的破碎狀態(tài)

共振碎石化后，破碎粒徑自上而下由小到大，粒徑主要分布在 3cm-15cm 范圍內(nèi)。上層 0～8cm 范圍內(nèi)，粒徑相對較小，一般在 5cm 以下，呈現(xiàn)相對松散狀態(tài)，類似于級配碎石，起到釋放應力的作用；下層粒徑集中在 5～15cm 的塊狀粒料，呈斜向嵌鎖狀態(tài)，破裂角在 30°-60°范圍，裂而不散，強度高。不論強度和模量均高于密實狀態(tài)的級配碎石，單層碎石化層的模量（靜態(tài)模量）一般在 500-900MPa。

圖8 共振式破碎原理示意圖

圖9 共振碎石化的路面技術狀態(tài)

圖10 共振碎石化的路面效果

5.5 工藝參數(shù)的選擇

板塊破碎的效果受共振破碎機的破碎前進速度、振幅、振動頻率、破碎順序，以及原路面結構、水泥混凝土強度、剛度條件、傳力桿、拉桿等因素都影響。為達到最佳的破碎效果，需進行試振破碎，通過開挖樣坑，檢查、驗證、調整，使之達到最佳的破碎效果。工藝參數(shù)的調整需要經(jīng)驗豐富的工程單位承擔，可調整的工藝參數(shù)如下：共振頻率：42-46Hz；共振錘振幅：20mm 左右；工作行進速度：2-3km/h；破碎順序：由板邊到板中。

6、共振碎石化的技術優(yōu)勢

6.1 徹底消除反射裂縫

共振碎石化破碎粒徑在 20cm 范圍以內(nèi)，徹底消除反射裂縫的產(chǎn)生。相對其他水泥混凝土路面破碎技術更為有效。

6.2 技術適用廣

共振碎石化采用高頻低幅的振動，共振碎石技術對周邊建筑物、構筑物和地下管線影響最小，技術適用范圍廣。共振碎石化技術適用的水泥混凝土路面技術狀況相對其他技術較寬，《公路水泥混凝土路面再生利用技術細則》（JTGTF31-2014）對此作了比較，共振碎石化較其他破碎工藝更加適合城市道路。

6.3 原路再生利用充分

采用共振碎石化技術的原路面結構和材料均得到了相對充分的利用。相對多錘頭破碎技術，共振碎石化技術更能發(fā)揮板塊和結構層的剩余強度。

6.4 加鋪結構設計簡單

共振碎石化路面上加鋪層設計簡單，不需專門的防反射裂縫設計和設施。通常加鋪結構為兩層式瀝青面層或三層式瀝青面層。

6.5 施工效率高

破碎行進速度：2-3km·車道/h。一般一臺設備一天可破碎 2500m 2 左右（效率取決于多方面因素，水泥混凝土板塊強度、厚度、交通天氣等因素）。

6.6 技術成熟，應用廣泛

共振碎石化技術在國外應用廣泛，在我國的應用也超過了 10年。各等級公路、城市道路，農(nóng)村公路、國省道，不同交通等級的道路上均有應用，均有較好的使用效果。設計、施工成熟標準，技術成熟度高。

6.7 綠色、環(huán)保、低碳

共振碎石化破碎技術不產(chǎn)生固體廢棄物、無污染；消耗的新資源、新能源少，相應的碳排放少。共振碎石化技術是一種綠色、環(huán)保、低碳的水泥混凝土路面“白改黑”技術。

6.8 污染小、擾民低

破碎產(chǎn)生的粉塵相對低，通過預灑水工藝有效降低破碎過程中的粉塵。共振破碎產(chǎn)生的噪音和振動相對小，傳播距離短。相對多錘頭破碎，產(chǎn)生的粉塵、振動、噪音明顯低，擾民低，更加和諧。

6.9 施工交通組織簡便

共振碎石化技術施工交通組織更為簡便，對交通影響小、擾民小。

6.10 路面更加耐久，投資少

（1）采用共振碎石化破碎的路面結構加鋪層相對其他破碎工藝加鋪層結構薄，路面改建的直接綜合成本低（Integrated Direct costs）。

（2）施工快捷、工期短、快放交通快，間接費用（Indirect costs）低。

（3）經(jīng)共振碎石化改建的道路路面結構更加耐久，維護少、大修間隔時間長，路面結構的壽命周期成本（life cycle cost，LCC）低。

7、破碎工藝比較

7.1 多錘頭破碎

多錘頭破碎是水泥混凝土路面較為常用的一種破碎方式。多錘頭破碎系統(tǒng)由兩排各 3 對 650kg 的錘頭組成，兩側各有 1 對 865kg 翼錘。錘頭最大提升高度110cm。依靠重錘自由下落的沖擊力實現(xiàn)板塊的破碎。特點是沖擊力大、振動頻率低，振動傳播遠，臨近建筑和地下管線有明顯影響（圖 11）。多錘頭的沖擊力較大，板塊破碎粒徑小，剩余強度低，與級配碎石相當。此外，錘頭沖擊力對基層承載力也造成一定損傷。因此，經(jīng)多錘頭破碎后路面結構，加鋪層通常相對較厚。

圖11 多錘頭破碎機（MHB）

圖12 多錘頭與共振破碎效果圖

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7.2 單錘頭破碎

單錘頭破碎在多錘頭的基礎上加以改進，將多錘變?yōu)閱五N形式，提高了錘擊的頻率，減小了錘擊力度。同時，在一定程度上借鑒了共振破碎的特點，采用偏心凸輪激振。與共振破碎共振梁調諧作用（圖 7）不同，單錘頭破碎直接將偏心輪加載于錘頭，無法實現(xiàn)激振力與混凝土板塊固有頻率的耦合：

（1）要么激振頻率過高，激振力不足，導致板塊無法有效打裂，加鋪結構易產(chǎn)生反射裂縫；

（2）要么激振頻率過低，激振力過大，板塊打碎，剩余強度不足。兩種破碎技術的原理比較如下：

表2 共振破碎、單錘頭破碎原理比較

表3 共振破碎、單錘頭破碎工藝比較

8、設計與工程案例

8.1 設計依據(jù)

（1）公路水泥混凝土路面再生利用技術細則（JTGTF31-2014）

（2）公路瀝青路面設計規(guī)范（JTGD50-2006）

（3）公路水泥混凝土路面設計規(guī)范（JTGD40-2011）

8.2 碎石化時機的選擇

根據(jù)價值工程理論：共振碎石化“白改黑”的工程價值大于其他維修改造方案的工程價值。價值可以是項目總投資，也可以是項目的壽命周期費用，還可以是項目的社會經(jīng)濟價值。時機的選擇應同時滿足技術可行和經(jīng)濟可行。相對其他破碎工藝，共振碎石化技術適用性更廣。項目總投資、壽命周期經(jīng)濟費用低，社會經(jīng)濟價值高?！豆匪嗷炷谅访嬖偕眉夹g細則》（JTGTF31-2014）從水泥混凝土路面技術狀態(tài)的角度給出了共振碎石化的適用條件。

8.3 典型結構

共振碎石化路面加鋪層的厚度與交通量有關，與原路面結構狀況和剩余承載力有關。國內(nèi)共振碎石化路面加鋪結構歸納如下：加鋪層材料的選擇，根據(jù)道路等級、所在氣候分區(qū)特點等因素，選擇不同質量等級的材料。對于重交通道路可以采用橡膠瀝青混合料 AR-AC、SMA 等混合料，以及抗車轍劑、玄武巖纖維等添加劑來增強混合料的抗車轍性能和高溫穩(wěn)定性。

表4 共振碎石化加鋪典型結構

8.4 質量檢驗與評定

碎石化路面施工質量驗收標準主要通過碎石化破碎粒徑和結構狀態(tài)進行檢驗與評定。檢驗主要依據(jù)：公路水泥混凝土路面再生利用技術細則（JTGT F31-2014）公路瀝青路面設計規(guī)范（JTGD50-2006）公路水泥混凝土路面設計規(guī)范（JTGD40-2011）

（1）碎石化破碎粒徑檢驗

通過開挖試坑判斷，避免過度松散和不能有效破碎兩種極端情況。

表5 共振碎石化施工質量檢驗標準

（2）破碎化層的結構狀態(tài)檢驗

共振碎石化后該層呈現(xiàn)上層松散，下層嵌鎖的狀態(tài)。狀態(tài)的檢驗采取鉆心方法獲得。通過鉆芯試樣，判斷混凝土板下部結構裂縫嵌鎖狀態(tài)。

（3）結構剩余強度

路面結構剩余強度可采用碎石化層頂面回彈模量進行檢驗。該模量為整個路面結構層的當量回彈模量。當量回彈模量不應作為評價碎石化層是否合格的指標。因為路面結構剩余強度和模量與整個路面結構各層材料的狀態(tài)密切相關，與所測試的季節(jié)狀態(tài)有關?！豆仿访婊鶎邮┕ぜ夹g細則》僅將回彈模量作為參考

8.5 工程實例

共振碎石化技術首先應用于國省道，之后在不同等級的道路以及城市道路上推廣和應用。

（1）國省道的應用

滬青平公路為 318 國道上海段，主要為水泥混凝土路面。交通等級屬于重交通。上海市公路管理處首次引進共振碎石化技術，于 2005年鋪筑了 477m 的共振碎石化的試驗段。后期的跟蹤觀測、研究認為反射裂縫防治、資源再利用、節(jié)能減排效果明顯。隨后于 2007、2008年進行了大范圍的共振碎石化工程應用。作為示范工程，每年對該路進行定期回訪，該路至今未產(chǎn)生反射裂縫等病害，狀況良好，僅需日常性路面養(yǎng)護。

浙江省于 2007年引進共振碎石化技術，首先應用于 104 國道（臨海段）的“白改黑”改造中，總長度超過 6km，加鋪三層式瀝青面層，鋪筑厚度為 15cm。基于良好的使用效果，2008年實施 104 國道的“白改黑”，迄今已經(jīng)完成近 50km 長的共振碎石化“白改黑”改造。路面使用完好，期間未實施過大修,大大降低了公路養(yǎng)護、運營、管理的成本。

圖13 G318 滬青平公路

圖14 104 國道臨海段

結論：

傳統(tǒng)開膛破肚的改造工藝，需要近半年的時間，施工噪音、揚塵，交通的阻斷嚴重，社會影響大；從縮短工期、節(jié)約造價、節(jié)能環(huán)保等方面綜合考慮，引入路面共振碎石技術實施“白改黑”，改造后的路面顯著提升了路面的使用狀況和技術水平，大大改善了路線區(qū)域的市容市貌，取得了較好的效果和口碑。